[論文レビュー] Theoretical Studies of Accretion of Matter onto White Dwarfs and the Single Degenerate Scenario for Supernovae of Type Ia

S. Starrfield, C. Iliadis+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 22, 2012

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 4被引用数 24

ひとこと要約

この論文は、核混合を伴わない太陽類似物質の炭素酸素白色矮星（WD）への降着を調査し、このような系は常に核融合的暴走（TNR）を経験し、質量が増加することを示している—ピークでは1.25 M⊙に達し、約4%の質量が放出される—これはIa超新星の単一降着状況を支持する。一方、降着物と核物質の混合が生じると、古典的・反復的・連星的新星が発生し、核合成によって銀河間媒体が豊かになる。

ABSTRACT

We present a brief summary of the Single Degenerate Scenario for the progenitors of Type Ia Supernovae in which it is assumed that a low mass carbon-oxygen white dwarf is growing in mass as a result of accretion from a secondary star in a close binary system. Recent hydrodynamic simulations of accretion of solar material onto white dwarfs without mixing always produce a thermonuclear runaway and steady burning does not occur. For a broad range in WD mass (0.4 Solar masses to 1.35 Solar Masses), the maximum ejected material occurs for the 1.25 Solar Mass sequences and then decreases as the white dwarf mass decreases. Therefore, the white dwarfs are growing in mass as a consequence of the accretion of solar material and as long as there is no mixing of accreted material with core material. In contrast, a thermonuclear runaway in the accreted hydrogen-rich layers on the low luminosity WDs in close binary systems where mixing of core matter with accreted material has occurred is the outburst mechanism for Classical, Recurrent, and Symbiotic novae. The differences in characteristics of these systems is likely the WD mass and mass accretion rate. The high levels of enrichment of CN ejecta in elements ranging from carbon to sulfur confirm that there is dredge-up of matter from the core of the WD and enable them to contribute to the chemical enrichment of the interstellar medium. Therefore, studies of CNe can lead to an improved understanding of Galactic nucleosynthesis, some sources of pre-solar grains, and the Extragalactic distance scale. The characteristics of the outburst depend on the white dwarf mass, luminosity, mass accretion rate, and the chemical composition of both the accreting material and WD material. The properties of the outburst also depends on when, how, and if the accreted layers are mixed with the WD core and the mixing mechanism is still unknown.

研究の動機と目的

• 単一降着状況におけるIa超新星の前提条件に合致する条件下で、核と降着物質が混合されない状態での太陽類似物質の降着によって白色矮星が質量を増加させられるかどうかを明らかにすること。
• 白色矮星の質量、光度、質量降着率、組成が、降着層における核融合的暴走（TNR）の結果に与える影響を調査すること。
• 古典的・反復的・連星的新星において、核混合の有無に起因する噴出特性の違いを調査すること。
• 炭素から硫黄に至る元素の核合成生成物を定量化し、それらが銀河系核合成および前太陽系塵の形成にどのように関与するかを明らかにすること。
• 核反応率と対流混合の影響を、後処理モンテカルロ手法を用いてTNRの進化および光曲線特性に与える影響を評価すること。

提案手法

• 核混合なしの太陽組成物質がCO白色矮星に降着する過程を、質量範囲0.4–1.35 M⊙の白色矮星に対して、核混合の有無を比較して流体力学的シミュレーションで解析。
• MESA星の進化コードを用い、エネルギー生成および伝導・放射によるエネルギー輸送を含む、降着層の熱的および組成的進化をモデル化。
• STARLIB核反応率ライブラリを用いてTNR段階における核燃焼率を計算し、反応率の変動に対する感受性テストを実施。
• シミュレーションから得た温度・密度・時間の軌道を後処理し、モンテカルロ解析を用いて核合成生成物を計算し、観測された新星噴出物の組成と比較。
• 光曲線、ピーク光度（エディントン限界挙動を含む）、質量噴出率を分析し、TNRが超新星または新星の前身として妥当であるかを評価。
• 白色矮星の質量と降着率の違いによる結果の比較を通じて、定常燃焼またはTNRが発生する条件を特定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 核混合なしの太陽類似物質の降着によって白色矮星が質量を増加させられるか。また、これはIa超新星の単一降着状況を支持するか？
• RQ2 核混合なしの降着条件下で、白色矮星の質量に応じた質量噴出率の依存関係は何か。最大の質量増加が観測されるのはどの質量帯か？
• RQ3 降着物と白色矮星核の混合の有無に起因する核融合的暴走の特性にどのような違いがあるか？
• RQ4 対流混合と核反応率が、新星噴出の光曲線および核合成生成物に与える役割は何か？
• RQ5 観測された新星噴出物組成（例：C, N, O, Ne, S）は、核の上昇（core dredge-up）を確認するものであり、銀河系化学的豊かさにどの程度寄与しているか？

主な発見

• 核混合なしの降着における流体力学的シミュレーションは、白色矮星質量が0.4 M⊙から1.35 M⊙にわたり、常に核融合的暴走（TNR）を発生させ、定常燃焼は観測されない。
• 最大の質量噴出率は1.25 M⊙の白色矮星で約4%に達し、0.7 M⊙では約0.1%に低下する。これは、後者では質量の純増加が生じることを示唆する。
• 核混合なしで太陽類似物質を降着する白色矮星は、時間経過とともに質量を増加させ、噴出質量が放出される分より多く残る限り、Ia超新星の単一降着状況を支持する。
• 一方、降着物と核物質が混合する系では、古典的・反復的・連星的新星が発生し、噴出物にCNおよび炭素から硫黄に至る重元素が高濃度で豊かに含まれる。
• 新星噴出物の観測された核合成生成物は、核の上昇を裏付け、新星が銀河間媒体の豊かさおよび前太陽系塵の形成に顕著に寄与していることを示している。
• 噴出の特性—光曲線の形状、ピーク光度、組成—は、白色矮星の質量、降着率、およびTNR段階における対流混合の未知の時間スケールと範囲に強く依存する。